当前课程知识点:复合材料设计与成型 > 8 模压成型工艺 > 8.1 模压基本原理和模压料工艺性 > 8.1.1 视频单元
同学们好
接下来我们学习第八章
模压成型工艺
首先来看
概述
模压复合材料制品
目前的用量接近10%
典型的应用
例如
汽车的复合材料结构件
在某些高端汽车上
碳纤维复合材料的用量,能够达到50%左右
优点是
制品一次成型,整体性能好
这一节
我们来学习模压的基本原理
技术内涵是
将一定的模压料放入金属对模
在一定的温度和压力下
模压料充满模腔、固化定型
得到复合材料制品的工艺方法
就称为模压成型工艺
模压成型的主要设备是
模压机
主要的原材料呢
是模压料
按模压料形态,模压工艺可以分为三种
第一种是片状模塑料模压法
模压料为片状模塑料
碎布模压法
模压料是预浸的短纤维
碎布或者是碎布预成型坯
第三种:就是我们常说的层压模压法
模压料为连续纤维及其纤维织物预浸料
模压成型的工艺步骤
第一步
预热
这里包括了模具的预热和模压料的预热
第二步
实际上是加料
加料之前要对模具进行表面处理和涂脱模剂
然后加模压料
加完以后,合模
合模完成后
加压
然后进行保压固化
脱模,后处理等工艺步骤
得到复合材料制品
加压过程,时间的选择非常重要
要在模压料加热到粘流阶段时进行加压
然后继续提高温度,保压固化
使树脂分子发生交联反应,成为不溶不熔的三维网络结构
模压成型的技术特点
优点是
干法或半干法成型
机械化程度中等
金属对模成型,制品的形状和尺寸精确
而且内外表面光滑
同时加热加压成型,制品的结构致密,固化程度高
可以实现快速固化和快速脱模
缺点是
需要加热加压设备
比如电加热板、液压机等
为了获得高性能的模压制品
工艺条件较为控制复杂
适合于成型制品尺寸较小,形状相对复杂的制品
但是制品的尺寸受模压机,工作台面尺寸的限制
这是模压成型的技术特点
这一节
我们学习模压料的工艺性
主要的模压料
比如片状模塑料
和连续纤维预浸料
他的工艺性主要包括三大工艺性
流动性、收缩性和压缩性
以及三大技术指标
首先来看流动性
流动性,反映了一定温度和压力下模压料充满模腔的能力
流动性越好
则可选用,较低的成型温度和压力进行制备
且较容易成型复杂的制品
也就是模压料充满模腔的能力就越好
但是流动性不能过大
也不能过小
过大了会导致树脂流失
过小呢
则容易导致成型困难
所以流动性合适最好,过犹不及
影响流动性的因素
主要有两大方面
第一个方面是聚合物的种类
我们都知道
聚合物可以分为
热塑性聚合物
特点是受热成粘流状态,冷却以后有凝固定型
这是热塑性聚合物
而热固性聚合物
粘度的变化遵循前面我们讲过的两大粘度变化机制
物理减粘和化学增粘
第二个主要的方面
是材料和工艺参数
包括树脂、纤维、模具、填料和其他组分
以及工艺参数、温度和压力
对模压料流动性的影响
下面逐个分析
首先来看温度与流动性的关系
如图,初始阶段
温度升高,模压料的粘度下降
流动性增大
到了中后阶段
温度升高模压料的粘度增大
流动性降低
而控制模压料粘度变化的机制正是我们前面所学习的
物理减粘机制和化学增粘机制
初始阶段物理减粘起主导作用
中间阶段,物理减粘和化学增粘两大机制达到平衡
后面阶段,化学增粘起主导作用
因此,导致流动性在平衡阶段达到最大值
再来看压力与流动性的关系
压力增加时
可以提高聚合物的剪切变形和剪切速率
使大分子链局部取向
从而克服内摩擦力等因素导致流动性增加
模压料树脂粘度随压力的增大关系
可以用8.1式的阿累尼乌斯方程来进行表示
式中b为常数约为0.207
右图中我们可以很明显地看出
压力增大后
模压料的流动性急剧增加
分子量与流动性的关系
分子量愈大
链段越长
交联密度越大
链段热运动越困难
此时,模压料的粘度越大
流动性就越差
分子量与流动性的关系
可以用粘度与分子量的关系来表达
这是一个典型的幂函数
如8.2所示
式中μ0式剪切速率较低时的模压料的表观粘度
也可以使树脂体系的表观粘度
A是经验常数
Mw则是重均分子量
除了分子量
分子结构对流动性也有影响
刚性高分子流动性差
由于刚性高分子的链段长,因此流动困难
分子量相同时
支链愈多,愈短,粘度就愈低,流动就愈好
三大通用树脂
不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂
从他们的分子结构中
我们可以很明显的看出
酚醛树脂的刚性基团最多
因此
酚醛树脂它的流动性最差
其次是环氧树脂
而流动性最好的是不饱和聚酯树脂
除此之外还有其他因素
对流动性也有影响
比如树脂的含量
含量越高流动性越好
挥发份的含量
挥发份的含量越高
流动性也越好
增强材料和填料的含量越高
则流动性越差
模具的形状复杂时,流动困难
对于表面光洁的模具
流动性则优于表面粗糙的模具
这些因素也会影响流动性
第二个工艺性
收缩性
收缩性指的是
模压的制品从模具在取出来以后
制品的尺寸减小的特性
称为收缩性
模压料的收缩程度可以用收缩率来进行表征
主要是两个参数
计算收缩率和实际的收缩率
这两个参数的区别
计算收缩率
指的是室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值
而实际收缩率
指的则是模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下尺寸之间的差值
这是收缩性及其表征的参数收缩率
导致收缩的原因
主要有两个方面
一个方面是热收缩
一般模压料的线膨胀系数比模具大
制品脱模冷却后收缩率通常会大于模具
使得制品的尺寸小于模具的尺寸
这是一方面
另一方面是结构收缩
又称化学收缩
树脂缩聚反应或者是聚合反应
分子交联
链段之间更加紧密
固化以后,体积收缩,这是化学收缩
比如酚醛树脂在固化收缩的时候还会放出小分子
从而造成不可逆的体积收缩
影响收缩性的因素
首先是树脂的分子结构
刚性分子收缩小,柔性分子收缩大
线型分子收缩大,体型分子收缩小
其次是固化反应机理
共聚反应固化收缩小
而缩聚反应比如说酚醛树脂固化收缩大
再一个方面就是,增强材料的热膨胀系数
模具的温度:热胀冷缩,导致的收缩
模压的压力
对制品的压实性
也会导致最后的收缩性发生变化等等影响因素
复合材料制备过程中
降低收缩率的措施
比如,模压料中加入纤维或填料来降低收缩率
而且填料和纤维的含量越高
收缩率会越小
保温和保压时间延长
也可以降低收缩率
在一定范围内提高成型压力,同样可以减少收缩率
冷脱模通常比热脱模制品的收缩率要小
这些都是模压成型过程中
常用的降低收缩率的措施
第三个工艺性压缩性
压缩性通常用压缩比来表征
压缩比等于模压料与模压制品比容的比值
也就是制品的密度与模压料密度的比值
压缩比过大
模压料过于蓬松,在装料时会带来困难
这是模压成型时
为了提高模压的成型效率
需要考虑的一个因素
压缩比
通常,纤维状的模压料压缩比
一般为6~10
这就是模压料的三大工艺性
流动性、收缩性和压缩性
而模压料的三大指标
指的是:含胶量
可溶性树脂含量和挥发份的含量
含胶量指的是模压料中所含树脂质量占总质量的百分比
通常含胶量控制在30~45%左右
而可溶性树脂含量
指的是模压料中可溶的树脂含量占所含树脂质量的百分比
可溶性树脂是模压成型时可发生交联固化反应的树脂
所以这个指标尤其重要
第三个技术指标
挥发份的含量
指的是模压料中可挥发的物质占总质量的百分比
通常挥发分含量控制在1.5~3%左右比较合适
这里的挥发分比如说聚酯的交联剂
苯乙烯或者是其他的溶剂
这就是模压料的三大技术指标
-1.1 课程简介及复合材料定义
--1.1.2 作业
--1.1.3讨论
-1.2 复合材料的命名与分类
--1.2.2 作业
-1.3 复合材料的特点
--1.3.2 作业
-1.4 复合材料的应用
--1.4.2 作业
--1 引言 课件
-2.1 颗粒增强原理
--2.1.2 作业
-2.2 短纤维增强原理
--2.2.2 作业
-2.3 界面效应
--2.3.2 作业
-2.4 复合材料界面
--2.4.2 作业
-2.5 复合材料界面表征与分析
--2.5.2 作业
-3.1 增强材料概述
--3.1.2 作业
-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构
--3.2.2 作业
-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格
--3.3.2 作业
-3.4 碳纤维概述
--3.4.2 作业
-3.5 碳纤维的制备工艺
--3.5.2 作业
-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格
--3.6.2 作业
-3.7 芳纶纤维
--3.7.2 作业
-4.1 聚合物概述
--4.1.2 作业
-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联
--4.2.2 作业
-4.3 聚酯的性能与应用
--4.3.2 作业
-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征
--4.4.2 作业
-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用
--4.5.2 作业
-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂
--4.6.2 作业
-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用
--4.7.2 作业
-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述
--5.1.2 作业
-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺
--5.2.2 作业
-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化
--5.3.2 作业
-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用
--5.4.2 作业
-6.1 金属基体
--6.1.2 作业
-6.2 金属基复合材料成型工艺
--6.2.2 作业
-6.3 金属基复合材料的界面
--6.3.2 作业
-6.4 金属基复合材料的性能与应用
--6.4.2 作业
-1.2 作业
-2.1 应力与应变
--2.1.2 作业
-2.2 广义胡克定律
--2.2.2 作业
-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换
--2.3.2 作业
-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换
--3.1.2 作业
-3.2 倍角变换、偏轴工程常数
--3.2.2 作业
-4.1 层合板的代号、面内刚度
--4.1.2 作业
-4.2 典型层合板的面内刚度
--4.2.2 作业
-4.3 层合板的弯曲刚度
--4.3.2 作业
-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度
--4.4.2 作业
-5.1 最大应力与最大应变准则
--5.1.2 作业
-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则
--5.2.2 作业
-5.3 层合板的强度分析
--5.3.2 作业
-5.4 层合板的极限强度
--5.4.2 作业
-6.1 细观力学引言、平均性质
--6.1.2 作业
-6.2 单向板的工程常数
--6.2.2 作业
-6.3 单向板的强度
--6.3.2 作业
-6.4 热膨胀与湿溶胀系数
--6.4.2 作业
-6.5 层合板的残余应力
--6.5.2 作业
-7.1 复合材料结构控制方程
--7.1.2 作业
-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析
--7.2.2 作业
-8.1 复合材料层合梁
--8.1.2 作业
-8.2 复合材料板梁
--8.2.2 作业
-8.3 复合材料薄壁梁
--8.3.2 作业
-1.1 绪论
--1.1.2 作业
--1.1.3 讨论
-2.1 手糊基本原理
--2.1.2 作业
-2.2 树脂对纤维的润湿(上)
--2.2.2 作业
-2.3 树脂对纤维的润湿(下)
--2.3.2 作业
-2.4 手糊技术进展和典型应用
--2.4.2 作业
-3.1 RTM基本原理
--3.1.2 作业
-3.2 树脂渗流规律
--3.2.2 作业
-3.3 树脂流动模拟分析
--3.3.2 作业
-3.4 RTM技术发展和典型应用
--3.4.2 作业
-4.1 RFI基本原理
--4.1.2 作业
-4.2 RFI树脂膜体系
--4.2.2 作业
-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用
--4.3.2 作业
-5.1 VIMP基本原理
--5.1.2 作业
-5.2 树脂的粘度特性
--5.2.2 作业
-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用
--5.3.2 作业
-6.1 拉挤基本原理
--6.1.2 作业
-6.2 拉挤内脱模剂
--6.2.2 作业
-6.3 拉挤技术发展和典型应用
--6.3.2 作业
-7.1 缠绕基本原理
--7.1.2 作业
-7.2 缠绕线型规律
--7.2.2 作业
-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用
--7.3.2 作业
-8.1 模压基本原理和模压料工艺性
--8.1.2 作业
-8.2 SMC片状模塑料
--8.2.2 作业
-8.3 模压关键工艺参数和典型应用
--8.3.2 作业
-9.1 概述
--9.1.2 作业
-9.2 PIP基本原理
--9.2.2 作业
-9.3 PIP关键步骤
--9.3.2 作业
-9.4 致密化和典型应用
--9.4.2 作业
-课程考试